Humidity robustness in power semiconductors with direct copper bonding and active metal brazing substrates
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-12-10
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Automation and Electrical Engineering
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
Power semiconductors have been found to cause over 31% of failures in the converter industry, prompting the initiation of industry-wide reliability testing on the most common power semiconductor in frequency converters, that is, insulated-gate bipolar transistor (IGBT). The popularity and effectiveness of IGBT modules have exposed them to harsher environments, such as water treatment plants and mines, characterized by high humidity and temperature. IGBT modules are commonly made with active metal brazing (AMB) or direct copper bonding (DCB) substrates. These substrates play a crucial role in the performance of the module, particularly in terms of thermal management and corrosion resistance. Therefore, understanding their robustness in humidity is crucial to achieving proper reliability. This thesis created two test setups for the purpose of conducting research on humidity-induced short-circuit failures caused by dendritic growth. DCB and AMB substrates were compared for dendritic growth. The IGBT modules produced with AMB or DCB substrates were exposed to a high-humidity, high-temperature, and high-voltage environment in a temperature–humidity chamber. Additionally, the baseplate of every IGBT module was connected to a pulsating bias voltage that induced electric fields. The IGBT modules were analyzed after testing using an optical microscope and its associated measurement software to measure the length of the dendrites. It was concluded that the electric fields generated through the baseplate affected dendritic growth. Furthermore, dendritic growth was significantly influenced by higher voltage and continuous electric field application. The results revealed that unlike the AMB substrates, no dendrites were observed with modules utilizing DCB substrates.Tehoelektroniikan puolijohteiden on raportoitu aiheuttavan yli 31 % vikaantumisista taajuusmuuttajateollisuudessa. Tämä vikaantumisprosentti on käynnistänyt luotettavuustestauksen koko teollisuudessa yleisimmälle taajuusmuuttajien tehoelektroniikan puolijohteelle, joka tunnetaan eristyshilainen bipolaaritransistorina (IGBT). IGBT-moduulien suosio ja tehokkuus ovat altistaneet ne ankarammille ympäristöille, kuten vedenkäsittelylaitoksille ja kaivoksille, joissa on korkea kosteus ja lämpötila. IGBT-moduulit valmistetaan yleisesti aktiivimetallijuotos- (AMB) tai suora kuparisidonta (DCB) substraateilla. Nämä substraatit ovat ratkaisevan tärkeitä moduulin suorituskyvylle, erityisesti lämmönhallinnan ja korroosiokestävyyden kannalta. Niiden kosteudenkestävyyden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää luotettavuuden saavuttamiseksi. Tässä opinnäytetyössä luotiin kaksi testijärjestelyä kosteuden aiheuttaman dendriittikasvun oikosulkuvikojen tutkimiseksi. Dendriittikasvussa verrattiin DCB ja AMB substraatteja toisiinsa. IGBT-moduulit, joissa käytettiin AMB- tai DCB substraatteja, altistettiin korkean kosteuden, korkean lämpötilan ja korkean jännitteen ympäristölle lämpötila-kosteuskammiossa. Lisäksi jokaisen IGBT-moduulin pohjalevy kytkettiin sykkivään jännitteeseen, joka aiheutti sähkökenttiä. IGBT-moduulit analysoitiin testauksen jälkeen optisella mikroskoopilla ja sen mittausohjelmistolla dendriittien pituuden mittaamiseksi. Johtopäätöksenä todettiin, että pohjalevyn kautta tuotetut sähkökentät vaikuttivat dendriittikasvuun. Lisäksi korkeampi jännite ja jatkuva sähkökentän käyttö vaikuttivat merkittävästi dendriittikasvuun. Tulokset paljastivat, että toisin kuin AMB-substraatit, DCB-substraateilla valmistetuissa moduuleissa ei havaittu dendriittejä.Description
Supervisor
Paulasto-Kröckel, MerviThesis advisor
Ingman, JonnyKeywords
insulated-gate bipolar transistor, reliability, humidity robustness, dendritic growth, corrosion, electric field